吸附結(jié)合水影響下的含砂低液限黏土固結(jié)特性分析

摘要：含砂低液限黏土分布廣泛，成分和性質(zhì)特殊，在該類土質(zhì)上修筑路基時受到吸附結(jié)合水影響，導致施工難度較大。采集含砂低液限黏土作為試驗樣本，將普通砂土作為對照組，按照樣本物理性質(zhì)和天然含水率，將樣本分為4組，調(diào)節(jié)含水率每種樣本制備一組試件，使用容量瓶法測定吸附結(jié)合水情況。利用重型濕法壓實以及浸水CBR試驗方法，分別獲得含砂低液限黏土受吸附結(jié)合水影響后的壓實特性與水穩(wěn)性能等。在不同含水率與壓實度工況下開展三軸試驗，分析上述兩個因素對含砂低液限黏土的影響。試驗結(jié)果表明，含砂低液限黏土具有更強的吸附結(jié)合水能力，與砂質(zhì)土相比，含砂低液限黏土最大干密度更低，最優(yōu)含水率更高。含水率不高于26%，壓實度在95%以上的情況下含砂低液限黏土，能夠保持路基使用的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：含砂低液限黏土;吸附結(jié)合水;固結(jié)特性;CBR值;干密度

0" "引言

含砂低液限黏土屬于黏性土質(zhì)和軟弱土，天然孔隙比通常在1.1～1.6范圍內(nèi)，天然含水率通常高于液限。含砂低液限黏土主要分布于內(nèi)陸地區(qū)江、河、湖泊沿岸或者東南沿海區(qū)域[1]。這種含砂低液限黏土存在低強度、高壓縮性的土質(zhì)特性，經(jīng)常呈現(xiàn)出比較不均勻的沉降規(guī)律，在這種土質(zhì)上修建建筑往往存在傾斜風險。修筑在含砂低液限黏土上的道路經(jīng)常發(fā)生開裂、下沉情況，隨著時間的增加，會出現(xiàn)塌陷、龜裂、裂縫等路面破壞情況[2-4]。

我國地域廣闊，東南沿海城市土質(zhì)大多數(shù)均為含砂低液限黏土，公路修建面臨巨大挑戰(zhàn)。沿海地區(qū)地下水豐富，使用翻曬方法無法從根本上將天然含水率較高的含砂低液限黏土轉(zhuǎn)變?yōu)樽罴押署ね粒匍_展路面壓實施工[5];如果采用棄土換填方式解決這一問題，將引起水土流失。長時間的棄土換填，將對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴重破壞[6]。如果采用摻灰改良方法，將會增加公路建造成本[7]。

為解決上述問題，諸多學者都開展了研究。劉維正等通過研究不同含水率對壓實基土動態(tài)回彈模量的影響[8]，研究了含水土質(zhì)的壓實方法。該方法獲得了回彈模量變化規(guī)律，但對土體其他內(nèi)容研究較少。鄧榮光等研究了黏土質(zhì)路面特性[9]，做出多角度深入分析，獲得了高含水率之下路面特性情況。但是該方法對路面壓實研究較少，還需要進一步探討。

吸附結(jié)合水也被稱為吸附束縛水，通常這種水受到機械力影響，在土質(zhì)顆?；蛘叩V物質(zhì)表面附著。吸附過程中，礦物質(zhì)晶格形成與吸附結(jié)合水關(guān)聯(lián)度較低，以一種中性水分子的形態(tài)存在，含水率具有不確定性[10]。若想使吸附結(jié)合水從土質(zhì)顆粒中逸出，需要使用加熱處理手段。加熱溫度控制在200℃以上，吸附結(jié)合水逸出并不會對土質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞。通常情況下，吸附結(jié)合水以一種液態(tài)形式附著在土質(zhì)顆粒之上，特殊情況下則會以固態(tài)或者氣態(tài)形式存在。氣態(tài)形態(tài)下的吸附結(jié)合水會混合在空氣之中，向土質(zhì)或者礦物質(zhì)之中滲透，導致礦物質(zhì)在形成過程中積累大量氣泡[11-13]。綜上所述，本文在考慮吸附結(jié)合水影響的基礎(chǔ)上，從多個角度分析含砂低液限黏土固結(jié)特性，為相關(guān)的路基建設(shè)工程提供參考。

1" "研究區(qū)域概況

本文所研究的含砂低液限黏土區(qū)域路基位于我國沿海某城市，該區(qū)域原為魚塘，地表1m之內(nèi)都是土方回填之后形成的土體路面。土層分層包含人工回填土層與海相沉積層，其中回填土層層頂標高為3.45m，厚度約為1.61m，土體回填距今約10年。海相沉積層包含海灘沖擊沉積層和海岸帶沉積層，兩種土層的土體組成形式類似，平均標高約為1.83m。土質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土，厚度在3.8～8.1m，土層顏色為灰色，夾雜貝殼碎片，流塑形態(tài)，呈連續(xù)狀態(tài)分布，屬于中等壓縮性土質(zhì)。

2" "材料研究方法

2.1" "試驗試件

為了驗證本文試驗合理性，從研究區(qū)域采集4種含砂低液限黏土，并從不靠近海洋鄰市采集普通砂土作為對照組。將各土體制備成大小相等的土體試件。基本試件一般在土體天然含水率基礎(chǔ)上制備，但本節(jié)試驗需要考慮不同含水率影響下含砂低液限黏土的各種性能變化，因此制備試件時還需要適當調(diào)節(jié)試件的含水率。4種土體的試件編號分別為A、B、C、D，各試件天然含水率以及物理性質(zhì)見表1。

從表1中能夠看出，本文制備的4組試件均具有較高的天然含水率，塑性指數(shù)較高，均屬于含砂低液限黏土。根據(jù)相關(guān)規(guī)程可知，試件A、B、C屬于含砂含砂低液限黏土，試件D屬于普通含砂低液限黏土，對照組為黏土質(zhì)砂土。

1.2" "試驗方法

考慮到黏土顆粒存在雙電層效應，當土體中形成吸附結(jié)合水時，黏土顆粒表面存在黏滯性較高的吸附結(jié)合水，若想去除這種吸附結(jié)合水，需要加熱土體溫度達到200℃以上[14]。吸附結(jié)合水包裹在強結(jié)合水之外，密度超過1.0g/cm³，具有抗剪切強度與黏滯性，在土體顆粒之間無法自由遷移，土體溫度達到100℃以上時吸附結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?/p>

測定吸附結(jié)合水情況時使用容量瓶法。將烘干箱溫度調(diào)節(jié)至110℃對各試件進行烘干處理，在量瓶中將烘干后的土與27℃的水充分混合。此時試件中的顆粒呈正態(tài)分布，同時完全吸附結(jié)合水。吸附結(jié)合水密度升高至1.4g/cm³，總體積降低。蒸發(fā)校正的同時觀察混合液體的體積變化，使用wg表示經(jīng)混合后的吸附結(jié)合水含量，其計算如下：

試驗過程中，需要考慮不同含水率對試驗試件的影響。使用濕法重型壓實法開展壓實試驗，以試件干密度的變化情況為對比指標，測定不同含水率影響下，吸附結(jié)合水對含砂低液限黏土試件的壓實性能影響情況。

加州承載比值是用于評價路基所用材料壓實強度的關(guān)鍵指標。使用CBR開展壓實試驗時，需提前將試件在水中浸泡直至達到飽和狀態(tài)，由此模擬出最不利狀態(tài)下含砂低液限黏土路基壓實情況[15]。在濕法重型壓實法試驗基礎(chǔ)上開展試驗，將上文采集的含砂低液限黏土樣本分為兩組試件，在CBR試驗中將一組試件浸水，另一組試件保持原狀，兩組試件互為平行試驗。該試驗主要內(nèi)容用于研究不同含水率情況下試件CBR值與CBR膨脹量變化情況。

受到篇幅限制，該節(jié)試驗僅選取部分含水率工況。同樣使用重型壓實成形試件，開展三軸試驗，在含水率為18%、22%和26%，且壓實度為85%和95%時，重型壓實成形試件工況如表2所示。

含砂低液限黏土具有較小滲透性特點，考慮路基實際施工時環(huán)境以及交通荷載等多種影響因素，其吸附結(jié)合水會保持固相狀態(tài)，因此該節(jié)試驗中不對試件作排水或者排氣操作。通過試驗，統(tǒng)計不同含水率以及不同壓實度下各試件應變與偏應力之間的關(guān)系，由此獲得考慮吸附結(jié)合水時含砂低液限黏土強度變化情況。

3" "試驗結(jié)果與分析

3.1" "吸附結(jié)合水對含砂低液限黏土路基壓實特性影響

沿海地區(qū)空氣潮濕，在含砂低液限黏土體基礎(chǔ)上填土筑路時需要翻曬土體。確保土體的整體含水率下降，此后對土體進行壓實處理，含水率不同導致試件的可壓實性能也存在顯著差異。本節(jié)在考慮研究區(qū)域?qū)嶋H情況的基礎(chǔ)上，研究吸附結(jié)合水對含砂低液限黏土路基試件壓實性能的影響。利用濕法重型壓實法開展本節(jié)試驗，各試件的試驗結(jié)果見圖1。

從圖1中能夠看出，含砂低液限黏土的最優(yōu)含水率與對照組最優(yōu)含水率相比更高，但含砂低液限黏土的最高干密度值，則遠低于對照組的最高干密度值。與對照組相比，各試件含砂低液限黏土中的吸附結(jié)合水含量更高，其以一種類似于固體的形態(tài)存在其中，重型壓實作用下并沒有導致含砂低液限黏土失去吸附結(jié)合水，因此各試件的最優(yōu)含水率高于對照組，但最大干密度卻比對照組更低。

該節(jié)試驗中各試件的最優(yōu)含水率，均低于試驗初期設(shè)定各試件吸附結(jié)合水的含量。假如把該含水率看作含砂低液限黏土固相的組成部分，計算固相密度，則此時對照組的固相密度近似于含砂低液限黏土的固相密度。實際情況中，吸附結(jié)合水的密度遠低于含砂低液限黏土體中土顆粒的密度，因此對照組的固相密度略高于含砂低液限黏土的固相密度。

3.2" "吸附結(jié)合水對含砂低液限黏土水穩(wěn)性能影響

在上文試驗基礎(chǔ)上，對各試件開展浸水CBR試驗。在含水率變化情況下，浸水CBR值變化以及CBR膨脹量變化情況見表3。

從表3可知，含水率越低各個試件的膨脹量越大，二者呈反比例關(guān)系，假如吸附結(jié)合水的含量高于最初的含水率，則試件浸水之后發(fā)生膨脹更為顯著。出現(xiàn)這種情況主要是由于試件的塑限低于天然含水率。此種情況下對試件壓實處理，將導致土體中吸附結(jié)合水處于飽和狀態(tài)。對試件浸水處理以后，水分只能滲入到土體的縫隙之中，試件不會再次發(fā)生膨脹。

含水率較低情況下，試件浸水以后，所含吸附結(jié)合水較少。對試件浸水處理以后，水分與土體中的顆粒相結(jié)合，同時將氣相填充，吸附結(jié)合水的水膜厚度增加，試件的膨脹量發(fā)生增長。假如吸附結(jié)合水的含量高于天然含水率，浸水處理試件之后土體膨脹量將隨之提升。

從CBR值變化結(jié)果可以看出，天然含水率影響下，含砂低液限黏土顆粒之間呈現(xiàn)出一種結(jié)合水膜接觸較弱的壯況。此時土體的強度較差，不符合路基建造要求。降低含水率土體顆粒水膜厚度上升，土體顆粒之間存在的剛性，可確保含砂低液限黏土的整體強度。吸附結(jié)合水含量與含水率持平狀態(tài)下，水以固體形式存在于土體之內(nèi)，土體抗剪強度提升，符合路基修筑要求。

綜合以上試驗結(jié)果可知，含砂低液限黏土壓實性能直接受到吸附結(jié)合水的影響，土體強度與水穩(wěn)性能也受到吸附結(jié)合水的影響。吸附結(jié)合水存在固體特性，確保含砂低液限黏土即使在高含水率情況下仍然強度較高，能夠保證路基后續(xù)使用中保持較高穩(wěn)定性。

3.3" "不同含水率下含砂低液限黏土土體回彈模量

設(shè)定各時間的壓實度統(tǒng)一為92%，圍壓設(shè)定為150kPa，本節(jié)試驗研究含水率差異下試件的土體強度，試驗結(jié)果見圖2。

從圖2中能夠看出，各試件在不同含水率情況下，偏應力的變化趨勢基本一致，但是隨著含水率的升高，各試件的偏應力出現(xiàn)明顯下降。

圖2a中含水率為18%，此時偏應力最高的試件A偏應力值約為700kPa。當含水率升高至26%時，從圖2c中能夠看出，偏應力最高的試件A偏應力值約為180kPa，而試件D的偏應力降至120kPa。吸附結(jié)合水在試驗過程中呈現(xiàn)出固相狀態(tài)，含水率上升破壞了這種固相狀態(tài)，導致含砂低液限黏土強度降低，因此隨著含水率上升，各含砂低液限黏土試件的強度遭受破壞。

3.4" "壓實度對含砂低液限黏土回彈模量影響

將含水率設(shè)定為18%，圍壓仍然設(shè)定為150kPa，研究不同壓實度之下，各試件的強度變化情況，結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出，在不同壓實度下各試件偏應力變化較小，上文研究中也已經(jīng)闡明，重型壓實含砂低液限黏土并不會擠壓出土體中吸附結(jié)合水，因此在不改變含水率的情況下，即使受到壓實變化影響，土體的強度也不會發(fā)生顯著變化。

4" "結(jié)論

本文通過制備不同天然含水率、不同物理性質(zhì)的含砂低液限黏土試件，研究吸附結(jié)合水對含砂低液限黏土固結(jié)特性的影響。

試驗結(jié)果顯示，含砂低液限黏土中含有大量吸附結(jié)合水，導致含砂低液限黏土與普通砂土相比，干密度較小，最優(yōu)含水率較高。

含砂低液限黏土中大量存在吸附結(jié)合水，因此各試件浸水以后CBR值符合相關(guān)規(guī)程對路基填料強度的要求，具有較強的水穩(wěn)定性。

壓實度對含砂低液限黏土彈性模量影響并不大，但由于受到吸附結(jié)合水影響，含砂低液限黏土的含水率需控制在26%以內(nèi)。

參考文獻

[1] 柯睿，汪洪星，談云志，等.凍融循環(huán)對固化淤泥土力學性質(zhì)的影響[J].長江科學院院報，2019，36（8）：136-139+145.

[2] 龍?zhí)?，石?摻砂對于湖區(qū)路基黏土工程性質(zhì)的影響研究[J].中外公路，2019，39（1）：19-22.

[3] 王國輝，陳文化，聶慶科，等.深厚淤泥質(zhì)土中基坑開挖對基樁影響的離心模型試驗研究[J].巖土力學，2020，41（2）：399-407.

[4] 蔣希雁，王皓宇，董捷，等.壓實度對植被土持水能力及基質(zhì)吸力的影響[J].人民黃河，2020，42（1）：86-90.

[5] 杜京，譚鋒，張愛鑫，等.泰國曼谷河畔地標項目淤泥質(zhì)軟土地層基坑支護技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2020，51（1）：111-114.

[6] 高游，孫德安，張俊然，等.考慮孔隙比和水力路徑影響的非飽和土土水特性研究[J].巖土工程學報，2019，41（12）：2191-2196.

[7] 劉捷，柴智，陳明.礦區(qū)宕渣填筑路基施工技術(shù)及應用效果研究[J].公路交通科技（應用技術(shù)版），2019，15（7）：43-45.

[8] 劉維正，曾奕珺，姚永勝，等.含水率變化下壓實路基土動態(tài)回彈模量試驗研究與預估模型[J].巖土工程學報，2019，41（1）：175-183.

[9] 鄧榮光，宋常軍.高含水率黏土質(zhì)礫路基填料路用特性試驗研究[J].公路交通科技（應用技術(shù)版），2019，15（7）：98-100.

[10] 高正，馬東民，陳躍，等.含水率對不同宏觀煤巖類型甲烷吸附/解吸特征的影響[J].煤炭科學技術(shù)，2020，48（8）：97-105.

[11] 余昌平，甄光磊，王文杰.軟土路基沉降預測對項目成本影響的技術(shù)研究[J].公路，2020，65（10）：35-39.

[12] 郭沛然，胡石林.Ni-MOF-74的疏水改性及對CO吸附性能的影響[J].原子能科學技術(shù)，2020，54（7）：1192-1198.

[13] 崔登云，李金星，趙秀娟，等.新老路基輕質(zhì)土拼接拓寬施工的關(guān)鍵技術(shù)[J].筑路機械與施工機械化，2019，36（8）：92-96.

[14] 何攀，許強，劉佳良，等.基于核磁共振與氮吸附技術(shù)的黃土含鹽量對結(jié)合水膜厚度的影響研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2020，47（5）：142-149.

[15] 杜騰飛，童申家，王乾，等.內(nèi)蒙古西北地區(qū)路基干壓實技術(shù)的應用[J].筑路機械與施工機械化，2020，37（Z1）：82-86.